通过粘弹性建模预测格陵兰冰川的冰丢失

东北格陵兰冰流冰川系统含有足够的水,可以将全球海平面提高一米以上,并且将冰排入海洋一直在加速。为了更好地理解和预测这种排放,阿尔弗雷德·韦格纳学院(Alfred Wegener Institute)的研究人员开发了改进的粘弹性模型,以捕获潮汐和冰川地形如何有助于冰川流量。


艾伦·佩特里洛(Alan Petrillo)
2022年3月

对于站在冰川附近的人来说,它似乎和地球上任何东西一样稳定和永久。但是,地球上的冰块总是在移动和发展。近几十年来,这种不断的动议加速了。实际上,极地地区的冰不仅是流动性的,而且令人震惊。

空气和海洋温度的上升正在加快冰川冰进入海洋,这有助于全球海平面上升。这种不祥的进展的发生甚至比预期的要快。现有的冰川动力学和冰排放模型低估了近几十年来的实际冰损失率。这使研究格陵兰的Nioghalvfjerdsbræ出口冰川的物理学家Angelika Humbert的作品尤其重要 - 紧急。

作为Alfred Wegener Institute(AWI)Helmholtz极地和海洋研究中心冰川学部分的建模小组的领导者,Humbert致力于从Nioghalvfjerdsbræ的持续下降中提取更广泛的课程。她的研究结合了来自现场观测的数据与冰盖行为的粘弹性建模。通过改善弹性对冰川流动的影响,Humbert和她的团队试图更好地预测冰丢失以及对全球海平面的影响。

她敏锐地意识到时间很短。亨伯特解释说:“Nioghalvfjerdsbræ是格陵兰岛的最后三个'浮舌'冰川之一。”“几乎所有其他漂浮的舌头地层都已经瓦解。”

一个拥有1.1米潜在的全球海平面上升的冰川

北大西洋岛的格陵兰岛被覆盖在南极洲的世界第二大冰袋。(图1)格陵兰岛人口稀少的景观似乎未被破坏,但气候变化实际上在其冰冷的地幔中撕裂。

格陵兰地图,海岸在红色的阴影中各不相同,以显示该地区冰川运动的速度。“Class=
图1.格陵兰地图。红色量表表明某些区域冰川运动的速度。请注意,最大运动的区域往往在海岸附近。纯紫色区域表示冰盖中巨大裂缝的位置。

根据2021年的一篇文章通信地球和环境亨伯特和她的同事。(参考文献1)文章指出,整个东北格陵兰冰河含有足够的冰,可以将全球海平面提高1.1米。虽然预计整个地层不会消失,但格陵兰的整体冰盖自1990年以来一直在急剧下降。这种衰减过程在整个岛上并非是线性或统一的。例如,Nioghalvfjerdsbræ现在是格陵兰最大的出口冰川。附近的Petermann冰川曾经更大,但缩小更快。(参考2)

现有模型低估了冰的损失率

格陵兰岛的整体冰质量损失与“产犊”不同,这是从冰川的浮舌中脱离冰山。虽然产犊并不能直接提高海平面,但产犊过程可以加快陆基冰向海岸的运动。欧洲航天局(图2)的卫星图像捕获了一场快速而戏剧性的产犊活动。在2020年6月29日至7月24日之间,125公里2Nioghalvfjerdsbræ的浮动部分沉积到许多独立的冰山中,然后融化到北大西洋。

冰川裂开的第一张图像破裂,冰看起来略微骨折,但几乎没有可见的水。“Class=
冰川序列中的第二个图像破裂,冰骨折并且可以看到一些水。“Class=
冰川裂开的序列中的第三张图像大部分是融化的。“Class=
图2.Nioghalvfjerdsbræ出口冰川裂缝的浮动部分,并在2020年6月和7月的这一图像中脱离。(参考文献2)

直接观察冰盖行为是有价值的,但不足以预测格陵兰冰损失的轨迹。冰川学家数十年来一直在建造和完善冰盖模型,但是正如亨伯特所说,“这种方法仍然存在很多不确定性。”从2014年开始,AWI的团队加入了其他14个研究小组,以比较和完善其对2100年潜在冰损失的预测。该项目还将过去几年的预测与实际发生的冰损失进行了比较。不祥的是,正如AWI的MartinRückamp所说,专家的预测“远低于自2015年以来实际观察到的损失”。(参考文献3)他说:“格陵兰的模型低估了由于气候变化而导致的冰盖当前变化。”

粘弹性建模以捕获快速作用力

安吉利卡·亨伯特(Angelika Humbert)亲自去了格陵兰岛和南极洲,以收集数据和研究样本,但她认识到直接方法的冰川学方法的局限性。她说:“现场操作非常昂贵且耗时,我们只能看到很多。”“我们想要学习的东西隐藏在系统中,大部分系统都埋在许多冰下面!我们需要建模来告诉我们哪些行为驱动冰上的损失,并向我们展示在哪里寻找这些行为。“

自1980年代以来,研究人员一直依靠数值模型来描述和预测冰盖的发展方式。亨伯特解释说:“他们发现,您可以通过围绕粘性功率定律功能构建的模型来捕获温度变化的影响。”“如果您正在建模稳定,长期的行为,并且会得到粘性变形和正确滑动,则模型可以做得不错。但是,如果您试图捕获正在短时间更改的负载,则需要另一种方法。”

是什么推动了影响冰盖行为的负载的短期变化?Humbert和AWI团队专注于这些重要但知之甚少的力量的两个来源:在浮冰舌下的海洋潮汐运动(例如图2中所示的冰淇淋)和格陵兰本身的崎and不平的景观。潮汐运动和格陵兰的地形都有助于确定该岛的冰盖朝着海洋移动的速度。

为了研究这些因素引起的弹性变形,Humbert和她的团队在Comsol Multiphysics中建立了Nioghalvfjerdsbræ的粘弹性模型188金宝搏优惠®软件。冰川模型的几何形状基于雷达调查的数据。该模型求解了跨2D模型域的粘弹性麦克斯韦材料的基础方程,该域由图3中所示的蓝线沿垂直横截面组成,然后将模拟结果与四个GPS站,该冰川流量的实际现场测量进行了比较,其中之一如图3所示。

循环潮如何影响冰川运动

格陵兰周围的潮汐通常在每个周期1至4米之间升高并降低沿海水线。这种动作对出口冰川的浮舌施加了巨大的力量,这些力也会传播到冰川的陆基部分。AWI的粘弹性模型探讨了应力分布的这些周期性变化如何影响冰川向海的流动。

冰川的卫星图像,带有用于机载雷达轮廓的标签,地面内冰,浮冰舌,铰链区和GPS测量站。“Class=
Nioghalvfjerdsbræ冰川上一个单个站的特写照片,那里有测量设备和危险信号。“Class=
图3.安装在Nioghalvfjerdsbræ(左)和单个站(右)上的GPS测量站的位置。右图由Awi的Ole Zeising摄。
图4.Nioghalvfjerdsbræ上三个位置的冰川冰的流离时间。黑线显示了测量的位移,橙色线根据AWI在Comsol中构建的“ Comice-VE”粘弹性模型显示模拟位移188金宝搏优惠®软件和蓝线在粘性模型中显示模拟位移。

图4中的图表列出了在三个位置作用在nioghalvfjerdsbræ上的潮汐诱导的应力,这是根据粘性和粘弹性模拟预测的应力叠加的。图表一个显示位移距离接地线(GL)内陆14公里时,如何进一步下降。图表b表明,周期性潮汐应力在GPS-inge中减轻,位于陆地和海洋之间的接地线附近的弯曲区域。图表C显示在称为GPS货架的位置的活动,该活动安装在浮在海洋中的冰上。因此,它显示了作用在冰上的周期性潮汐应力的最明显波形。

AWI团队的数学家朱莉娅·克里斯曼(Julia Christmann)说:“漂浮的舌头正在上下移动,在冰川的陆基部分产生弹性反应。”“内陆冰和地面之间还有一个液态水的亚冰分水文系统。尽管我们可以看到其作用的证据,但这种基础供水系统是鲜为人知的。”例如,图表一个显示坐在冰川顶上的湖下方的压力尖峰。克里斯曼说:“湖水从冰上流下来,在那里增加了冰山下水层,并加剧了其润滑作用。”

与纯粘性模型相比,绘制的趋势线突出了团队新的粘弹性模拟的更高准确性。正如克里斯曼(Christmann)所解释的那样:“粘性模型并未捕捉压力变化的全部程度,并且没有显示正确的幅度。(请参阅图表C在图4中)在弯曲区中,由于弹性响应,我们可以看到这些力的相移。“克里斯曼继续说:“只有在考虑粘弹性'弹簧'动作时,您才能获得准确的模型。”

从不平坦的景观中建模弹性菌株

格陵兰冰川中的裂缝揭示了基础景观的不均匀性。裂缝还提供了进一步的证据,表明冰川冰不是纯粹的粘性物质。亨伯特说:“随着时间的流逝,您可以观看冰川,并看到它像粘性的材料一样蔓延。”但是,纯粹的粘性物质不会形成持续的裂纹,就像冰盖一样。她说:“从冰川学开始,我们就必须接受这些裂缝的现实。”该团队的粘弹性模型提供了一种新颖的方式来探索Nioghalvfjerdsbræ下面的土地如何促进裂缝的出现并影响冰川滑动。

冰川的鸟瞰图,显示了裂缝的不同模式和长度。“Class=
图5.Nioghalvfjerdsbræ的鸟瞰图显示了裂缝的广泛模式。AWI的Julia Christmann摄影。

克里斯曼解释说:“当我们进行模拟时,我们对地形产生的弹性压力感到惊讶。”“我们看到了内陆的这些影响,在那里它们与潮汐变化无关。”

一张图表显示冰川带有粉红色和蓝色区域,以表示冰川内部的冰运动速度和上方的绿线以显示应变。“Class=
图6.与冰川底部的运动相比,Nioghalvfjerdsbræ的横截面显示了冰川内部冰运动的垂直速度。蓝色区域的移动速度比基础速度慢,而粉红色和紫色区域的移动速度比基部的冰更快。绿线(右尺度)显示了粘性应变与沿横截面的总应变的比例。

图6显示了冰川中的垂直变形如何与基础景观相对应,并帮助研究人员了解局部弹性垂直运动如何影响整个纸的水平运动。阴影区域表示冰川的基础速度相比,该部分的速度。蓝色区域的速度比直接在地面上方的部分垂直移动,表明冰被压缩了。粉红色和紫色区域的移动速度比底部的冰更快,表明冰正在垂直拉伸。

这些仿真结果表明,AWI团队的改进模型可以提供更准确的冰川运动预测。亨伯特说:“这对我们来说是'哇'的效果。”“就像潮汐的上下产生影响冰川流动的弹性应变一样,现在我们也可以捕获上下基岩的弹性部分。”

缩放时钟延伸

改进的Nioghalvfjerdsbræ的粘弹性模型只是Humbert数十年来使用数值模拟工具进行冰川学研究的最新示例。“188金宝搏优惠 comsol®她说:“非常适合我们的工作。这是尝试新想法的绝佳工具。该软件使调整设置并进行新的模拟实验相对容易,而不必编写自定义代码。建模了从表面到冰基的河水河流通道的演变。

AWI团队为他们的调查工作感到自豪,但他们完全认识到世界上的冰覆盖量仍然未知 - 那时很短。亨伯特承认:“我们负担不起麦克斯韦的物质模拟。”她说:“我们可以烧毁数年的计算时间,但仍然不能涵盖所有内容。但是也许我们可以参数化模型的局部弹性响应效应,然后更大规模实施。”

规模定义了21的挑战英石- 世纪冰川学家。他们的研究主题的规模令人震惊,其工作的全球意义也是如此。即使他们的知识正在增长,也必须更快地找到更多信息。安吉利卡·亨伯特(Angelika Humbert)欢迎其他研究粘弹性材料的人的意见。“如果其他Comso188金宝搏优惠l用户正在处理Maxwell材料中的裂缝,那么即使他们的模型与ICE无关,他们也可能会面临与我们遇到的一些困难!”她说。“也许我们可以进行交流并共同解决这些问题。”

也许以这种精神,我们从冰川学家的工作中受益的我们可以帮助承担他们承受的一些巨大而沉重的挑战。

Awi的Angelika Humbert站在实验室里,拿着一块冰川冰。“Class=
冰川学家安吉利卡·亨伯特(Angelika Humbert)拥有冰川冰的核心样本。

参考

  1. J. Christmann,V。Helm,S.A。Khan,A。Humbert等。“弹性变形在格陵兰出口冰川流中起不可忽略的作用”,通信地球和环境,卷。2,不。232,2021。
  2. 欧洲航天局,”Spalte分手”,2020年9月。
  3. Helmholtz极地和海洋研究中心Alfred Wegener Institute,“模型比较:专家计算未来的冰丢失以及格陵兰和南极将在多大程度上促进海平面上升”,2020年9月。